用火星风化层也能进行3D打印？

导读：自从人类进行空间探索开始以来，每项任务都非常昂贵。例如，美国国家航空航天局的航天飞机将一公斤有效载荷送入地球轨道的成本约为54000美元。在太空中制造和修复结构部件的能力对于未来前往月球、火星和国际空间站以外的空间任务至关重要。为了使这一想法成为可能，增材制造（AM）技术可以利用现有的原地资源自下而上和逐层制造结构。此外，如果结构部件可以利用原位资源制造，则可以将所需的质量负担降至最低。



2022年9月，南极熊获悉，来自华盛顿州立大学(WSU) 的研究人员开发了一种材料，可用于3D打印，以制造探索火星任务所需的设备。 他们的研究已经发表在了《国际陶瓷应用技术》期刊中，题目为《Martian regolith—Ti6Al4V composites via additivemanufacturing》，下面就跟随南极熊一探究竟吧！

概括来说，研究人员通过将钛与模拟的火星风化层混合，创造出一种可用于3D打印的原材料。使用定向能量沉积 (DED) 3D 打印技术可以将其制造成具有更高阻力质量的结构。若将研发的材料进行进一步迭代或者研究，该团队表示有可能在火星表面生产工具或火箭部件，而不是使用昂贵的NASA航天飞机将其运输。

太空经济制造

自从太空探索出现以来，WSU 团队表示，“太空作战的各个方面”仍然非常昂贵。根据研究人员Ames Research Center的2018年的报告数据指出，使用NASA 的航天飞机将每1公斤有效载荷送入轨道的成本约为 54,000 美元。 因此，利用原地资源来确保未来太空任务的经济性至关重要。该研究的成员之一Amit Bandyopadhyay指出，这样做不仅是必要的，而且它降低了许多可能产生的“后勤”问题，比如“如果我们忘记了某些东西，我们就不能回来拿。”


△美国宇航局的火星探测器取风化层样本进行分析，以及定向能量沉积 (DED) 处理示意图

正如科学家们在他们的论文中强调的那样，3D打印被认为是制造和维修设备的一种手段，但其中的某些技术仍有待研究。例如，使用 DED技术打印纯风化层结构仍然具有挑战性，因为该材料的陶瓷成分具有高熔点、低激光吸收和易断裂的特性。这些特性意味着 DED 打印的风化层部件会出现严重的裂缝或气孔，导致它们的涂层界面强度较差。先前的研究还表明，火星尘埃的磨损会影响未来建筑的可行性。为了解决这些问题，该团队通过将模拟火星尘埃与不同形式的钛混提高结构的稳定性。


△图片来自华盛顿州立大学。

创建钛-风化层复合材料

为了确定碎火星岩石和钛的最佳混合物，WSU 团队将Tekna Ti64 粉末添加到不同浓度的风化层模拟物中，然后将所得颗粒筛分成各种粒度。 初步测试表明，加载钛的混合物能够在现有部件上形成约 2 毫米的涂层，这比纯风化层可能的200微米覆盖层要厚得多。研究人员还发现，由于风化层的陶瓷含量与 Ti64 粉末之间存在“热失配”，前者的含量越高，越容易出现裂纹。


△涂层质量

当谈到强度时，科学家们发现在钛中添加模拟火星尘埃可以使其被3D打印成具有两倍显微硬度的结构。研究小组认为，这是由于沉积时在其材料中观察到的细晶粒微结构的快速凝固和形成，以及循环热积累和风化层的陶瓷含量的结果。

展望未来，Bandyopadhyay打算继续他们的国家科学基金会(NSF) 支持的研究，以开发风化层复合材料。通过试验不同的金属和 3D 打印工艺，科学家们最终的目标是找到适合生产用于太空应用的轻质承重部件的材料。

Bandyopadhyay 总结道：“WSU 复合材料可以提供更好、更高强度和硬度的材料，因此它可以在某些实际应用中表现得更出色，我们的研究应该朝这个方向展开，因为它不仅能够制造脆弱的塑料部件，而且能够制造坚固的金属陶瓷复合部件，可用于任何类型的结构部件。”


△Redwire 风化层打印设施套件，包括 Redwire 的增材制造设施，以及打印头、印版和月球风化层模拟原料。

建立风化层的 3D 可打印性

●作为去年公布的项目的一部分，Redwire 的 Regolith Print 平台已安装在国际空间站上，用于测试 3D 打印的月球建造能力。

●在不伦瑞克工业大学和汉诺威激光中心，科学家们首次在零重力下进行了3D打印的月球风化层实验。通过他们代号为“MOONRISE”的实验项目，该团队已经设法将定制激光器安装到月球车上，并将月尘融化成球形。

●德克萨斯建筑公司ICON已分包建造3D 打印的 NASA 模拟火星栖息地。该 1,700 平方英尺的结构是为NASA 约翰逊航天中心的长期任务模拟而开发的。

原文链接：DOI: 10.1111/ijac.1413